1.2 現階段3D打印成型原理

現在市場上充斥著許多類型的3D打印機，雖然都有著同樣一個名字，但是在價格、性能、成型方式、成型材料等方面都有著天壤之別。造成這種差異的主要原因，就在于3D打印本身存在著多種成型原理。而每一種成型原理都能滿足3D打印的使用條件，并由此衍生出大量的3D打印機。因此，要了解3D打印，就必須要了解它的成型原理。目前主流的成型原理有以下五種：熔積成型法（FDM）、激光粉末燒結法（SLS）、光固化成型法（SLA）、三維打印黏結成型法（3DP）、分層實體制造法（LOM），分別介紹如下。

1.2.1 熔積成型法（FDM）

熔積成型法，即FDM（Fused Deposition Modeling）成型法，也稱作“熔絲制造法”（Fused Filament Fabrication，FFF）。該方法屬于線材擠出熱熔成型一類，是目前市場上最為常見的成型方法。

FDM技術是20世紀80年代由美國人Scott Crump發明的。在獲得這項技術的專利后，他于1989年成立了Stratasys公司，是當今3D打印機的主流品牌公司之一，也是FDM工業級打印機的典型代表。FDM的成型原理是將線狀（一般直徑不超3mm）的熱塑性材料（如PLA、ABS等）通過噴頭加熱熔化，然后在噴頭底部帶有一個微細的噴嘴（即成型嘴，直徑一般在0.2～0.6mm），當材料以一定的壓力擠噴出來后，噴頭同時沿水平方向移動，使擠出來的材料與之前一個層面的材料熔結在一起，每完成一個層面的熔結，工作臺下降一層的高度（或是噴嘴上移一層的高度），再繼續熔融沉積，直至堆疊完成整個模型。

在打印過程中，為了防止模型的空腔或者懸空部分的坍塌，通常會自動打印出一些支撐部分，用以支撐模型。通常的FDM成型從頭到尾都只會使用一種材料，這就意味著模型實體和支撐部分用的是一種材料，也增加了后續修剪的工作量和難度，如圖1-6所示。而高級一點的FDM可以使用兩種不同的材料，一種作為成型材料用來制造模型的實體部分；另一種作為支撐材料單獨用來制造模型的支撐部分，以此種方式生成的支撐材料通常是水溶性的，打印完成后只需將模型泡在水中，便可自行去除支撐，且外觀要較前者更為規整，如圖1-7所示。

由于FDM的成型原理相對簡單，無需高大上的技術，因此它的價格是3D打印中最為低廉的一種。現在市場上的桌面級3D打印機（如RepRap、Ultimaker、MakerBot等）絕大多數都是采用這種工藝的，其中最便宜的大約在人民幣2000元，因此本書的創業出發點便是建立在FDM打印機上的，而對于其他原理的打印機則不予探討。FDM使用的線狀耗材與典型打印模型分別如圖1-8和圖1-9所示。

FDM技術的優點如下：

? 打印過程不會產生毒氣及化學污染，可以在相對干凈、安全的操作環境中進行，如辦公室。

? 無須激光器等貴重元器件，造價低廉，工藝簡單、干凈，不產生垃圾。

? 原材料以卷軸線絲的形式提供，易于搬運和快速更換。

? 材料利用率高，而且可以選取多種材料，如可染色的ABS、醫用ABS、PLA、PC、PPSF等。

? 由于ABS材料具有較好的化學穩定性，因此可采用伽馬射線進行消毒，使其特別適用于醫療。

FDM技術的缺點如下：

? 成型后表面粗糙，肉眼目測就可以觀察到層狀紋路。打印后需要進行手工打磨拋光處理，在制作小件或者精細件時精度不如SLA，且目前最高精度只能達到0.1mm左右。因此不適合精度要求比較高的應用。

? 不能打印尺寸很大的物體。由于材料本身的原因所限，在打印大件時由于溫度差異，很容易導致變形，因此一般的FDM成型尺寸大致在200mm×200mm×200mm。

? 打印速度較慢。打印一個10cm左右的模型，時間差不多需要4～5小時。

? 需要額外打印支撐部分。

1.2.2 激光粉末燒結法（SLS）

激光粉末燒結法，即SLS（Selcetive Laser Sintering）成型法，也稱作“選擇性激光燒結法”。該工藝屬于粉末狀材料高能束燒結或熔化成型一類，是主要的金屬成型法。

SLS技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard教授于1989年研制成功。SLS技術與3DP技術相似，都采用粉末材料，但SLS一般以金屬粉末和陶瓷粉末為主。此外，不像3DP通過噴頭噴黏結劑來黏結，而是通過激光燒結來黏結。它的成型原理，可以具體地概述為利用粉末材料在激光照射下燒結的原理，再由計算機控制，最終層層堆結成型。SLS技術在打印時，會首先鋪一層粉末材料，并刮平，接著將材料預熱到接近熔點，再使用高強度的CO2激光器有選擇性地在該層截面上掃描，使被掃描的粉末溫度升至熔點，然后燒結形成黏結，接著再不斷重復鋪粉、燒結、黏結的過程，直至最終完成整個模型的成型。

SLS在民間市場應用不多，但在商業市場上采用得比較多，因為它與工業結合得很緊密，而且使用的材料也最為廣泛，從理論上講幾乎所有的粉末材料都可以用來打印。像鑄造行業對精度的要求不高，SLS技術打印出來的產品完全滿足使用要求，目前的SLS打印精度大致與精密鑄造相當。SLS也常常用來打印一些小的金屬件，如首飾、工藝品等。SLS打印所需的粉末耗材和典型的打印產品分別如圖1-10和圖1-11所示。

SLS技術的優點如下：

? 成型材料種類豐富。除了金屬以外，SLS技術還可以打印高分子化合物、陶瓷、砂等多種材料。

? 打印速度快。速度是所有3D打印技術中最快的，每小時打印高度可達3～4cm。

? 節省材料。前文已經說過，SLS技術是通過粉末燒結成型的，而所有未燒結過的粉末都會保持原狀并自動成為模型實物的支撐性結構，因此無須像熔積成型那樣建立支撐，而且這些粉末都能在下一次打印中重復利用。

? 可以打印金屬。這是SLS技術最主要的優勢，而且其打印出來的產品可具有與金屬零件相近的機械性能，因此可以直接用于制造金屬模，具以及單件、小批量的零件。

SLS技術的缺點如下：

? 成型后表面粗糙。粉末燒結后的表面粗糙，精度約為0.1～0.2mm，表面粗糙度在Ra 12.5左右，需要后續處理。而在后續處理的過程中，難以保證制件的尺寸精度，且后續處理工藝復雜，加工難度大，樣件易變形，無法用于裝配。

? 強大不大，易變形。SLS技術目前無法直接成型高性能的金屬零件，而且在成型較大尺寸的零件時，容易發生翹曲變形。

? 準備時間和冷卻時間長。在開始打印前，要先將粉末加熱到熔點附近，光這一準備工作就需近2小時的時間；而當零件打印完成后，還不能直接將零件從粉末缸中取出，至少還要等上5～10小時的時間，待成品完全冷卻之后才可取出。

? 造價很高。由于使用了大功率的激光器，除了設備本身的成本外，還需要很多輔助的保護工藝，整體技術難度較大，制造和維護成本非常高，普通用戶難以承受，所以目前SLS應用范圍主要集中在高端制造領域，現在還沒有桌面級SLS打印機開發的消息。

? 打印環境比較惡劣。需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安全性，加工的成本高，而且該工藝產生有毒氣體，容易對人體產生傷害并污染環境。

除了SLS技術以外，打印金屬的技術還有SLM、DMLS、LENS、EBM、EBDM等，由于這些技術仍處于實驗室階段，在市場上接觸到的可能性不大，因此本書就不做介紹了，有興趣的讀者可以自行搜索。

1.2.3 光固化成型法（SLA）

光固化成型法，即SLA（Stereo Lithography Appearance）成型法，也稱作“光固化立體成型”“立體光刻”“立體平板印刷”，有時也簡寫為SL。該方法屬于液態樹脂光固化成型一類，是模型表面質量最佳的成型方法。

世界上第一臺3D打印機采用的就是SLA技術。這項技術由Charles. W. Hull發明，他也由此于1986年創辦了3D Systems公司，也是如今3D打印機的主流品牌公司之一。SLA的技術原理是在樹脂液槽中盛滿透明、有黏性的液態光敏樹脂，該種樹脂在紫外激光束的照射下會快速固化。因此，只要激光束在計算機控制下根據分層數據連續掃描液態光敏樹脂表面，利用液態光敏樹脂經激光照射凝固的原理，層層固化光敏樹脂，一層固化后，工作臺下移一段精確距離，掃描下一層，并且保證相鄰層可靠粘結，如此反復，便可成型出一個完整的模型。

提示：SLA用的激光與SLS所用的激光不同。SLA用的是紫外線激光，而SLS用的是高能量的紅外線激光。SLA的耗材一般為液態的光敏樹脂，而SLS的耗材通常為金屬、陶瓷等粉末。

由于SLA的材料不是線材或者粉末，而是液態的樹脂，不存在顆粒的結構，因此就可以做得很精細，最終模型的表面也相當光滑。不過SLA技術所用的材料卻比SLS要貴得多，所有它目前主要用于3D打印薄壁的、精度要求較高的零件。也適合用來制作中小型工件，能夠直接得到最終的塑料產品。在工業應用上，它還能代替部分蠟模制作澆鑄模具，以及作為金屬噴涂模、環氧樹脂模和其他軟模的母模。SLA的耗材常為瓶裝的液態光敏樹脂，如圖1-12所示。SLA打印的典型模型通常擁有光滑的表面，且具有一定的通透效果，如圖1-13所示。

SLA技術的優點如下：

? 技術最成熟。SLA是3D打印技術中成型最早的，因此技術最成熟，大多數技術問題都有成功的解決方案。

? 打印速度快。打印速度比FDM快，比SLS慢，系統工作相對來說最為穩定。

? 成型范圍大。與SLS、FDM那種小打小鬧型的建模相比，SLA的成型范圍就顯得更為大氣，據悉在國外已經有可以做到2米的大件，如已報道出來的汽車外殼等，均為SLA技術打印而成的。

? 尺寸精度高。SLA技術可以做到微米級別，打印精度在0.025mm左右。

? 表面質量好。SLA技術打印的模型表面質量是3D打印中最佳的，非常適合上色，因此可以用于小件及精細件的加工。

SLA技術的缺點如下：

? 設備造價高，使用和維護成本高。SLA系統是要對液體進行操作的精密設備，對工作環境要求很苛刻。

? 材料貴。SLA的主要打印材料就是光敏樹脂，其價格昂貴，且成型后的各種物理性質有限，強度不高，不牢靠。

? 打印出來的成品不易保存。光敏樹脂模型對儲藏環境有很高的要求，溫度過高會熔化，工作溫度不能超過100℃。光敏樹脂固化后較脆、易斷裂，可加工性不好。成型件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強。

? 污染環境。皮膚過敏者忌用光敏樹脂，如果光敏樹脂傳播至環境中，還會對環境造成污染。

? 需要自行設計工件的支撐結構。這是SLA技術最主要的缺陷之一，需要在建模三維模型的時候自主設計支撐結構，以確保在成型過程中制作的每一個結構都能可靠定位，支撐結構需要在未完全固化時手工去除，此過程容易破壞成型件。

1.2.4 三維打印黏結成型（3DP）

三維打印黏結成型，即3DP（3 Dimensional Printing and Gluing）成型法，也稱作“噴墨沉積”。該方法屬于液體噴印成型一類，是可支持多色打印的成型方法。

3DP的工藝類似于傳統的2D噴墨打印機，是最為貼合“3D打印”概念的成型技術之一，最早由美國麻省理工學院（MIT）于1993年研發。該技術利用噴頭噴黏結劑，選擇性的黏結粉末來成型。首先鋪粉機構在加工平臺上精確地鋪上一層薄薄的粉末材料，然后噴墨打印頭根據這一層的截面形狀在粉末上噴上一層特殊的膠水，噴到膠水的薄層粉末發生固化，然后在這一層上再鋪上一層薄的粉末，打印頭按下一截面的形狀噴膠水。如此層層黏結，層層疊加，從下到上，直至將一個模型的所有層都打印完畢，然后再把未固化的粉末清理掉，便可以得到一個三維實體的模型。

與2D平面打印機在打印頭下送紙不同，3DP打印機是在一層粉末的上方移動打印頭，并打印分層好的橫截面數據。3DP技術打印成型的樣品能與實際產品一樣具有豐富的色彩，而且能夠有很高的成型精度，可達0.09mm。3DP技術的耗材也是粉末，通常為石膏粉，如圖1-14所示。典型3DP打印的模型外表粗糙，但是顏色豐富，如圖1-15所示。

3DP技術的優點如下：

? 成型方便。無須激光器等高成本元器件，成型速度快，耗材也相對便宜，一般的玩具公仔用石膏粉即可。

? 不需要支撐。成型過程中不需要添加支撐，多余粉末的去除也比較方便，特別適合做內腔較復雜的原型。

? 可以打印彩色模型。這是3DP技術最大的優勢，能夠直接打印出彩色模型，而無須后期上色。目前市場上打印彩色人像的多是采用此種技術。

3DP技術的缺點如下：

? 最終模型強度低。由于石膏粉的強度很低，因此3DP打印出來的模型只能用作概念型模型，或者裝飾品，而不能有實際用途。

? 表面粗糙。由于是石膏粉末黏結在一起的，所以成型模型的表面有顆粒狀的凸起，手感很粗糙。

1.2.5 分層實體制造法（LOM）

分層實體制造法，即LOM（Laminated Object Manufacturing）成型法。該方法屬于片、板、塊材料黏結或焊接成型一類。

LOM是一種薄片材料的疊加工藝，出現于1986年，由Helisys公司提出。利用激光或者刀具切割薄層紙、塑料薄膜、金屬薄板或者陶瓷薄片等片材，非模型區域則切割成若干小方塊，便于后續去除。然后通過熱壓或者其他形式層層黏結，疊加獲得三維實體零件。可以看出，LOM工藝還有傳統切削工藝的影子，只不過它已不是對大塊原材料進行整體切削，而是先將原材料分割為多層，然后對每層的內外輪廓進行切削加工成型，并將各層黏結在一起。

LOM適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，尺寸精度較高，成型時間較短。使用小功率CO2激光器價格低、使用壽命長，制成件有良好的機械性能，適合于產品設計的概念建模和功能性測試零件。由于制成的零件具有木質屬性，特別適合直接制作砂型鑄造模。LOM的耗材與打印案例，如圖1-16所示。圖示左下方為打印成品，后方則為打印耗材（實際打印中會被切割成碎片）。理論上講任何片狀的材料，如紙張、PVC板都可以作為LOM的打印耗材。

LOM技術的優點如下：

? 耗材成本很低。材料成本應該是所有打印技術中最低的一種，所打印用的材料甚至可以為常見的A4紙。

? 可快速成型尺寸很大的零件。由于LOM技術僅對模型外輪廓進行加工，內部無須加工，所以這是一個超高速的快速成型工藝（相對大型件來說比SLS快），常用于加工內部結構簡單的大型零件及實體件。

? 不需要支撐。LOM打印過程不存在收縮和翹曲變形，因此無須設計和構建支撐結構。

LOM技術的缺點如下：

? 僅能打印結構簡單的模型。LOM技術無法打印中空結構件，也難以構建精細形狀的零件。

? 浪費材料。LOM技術使用的原材料種類較少，只能是紙、塑料和部分合成材料，目前常用的是紙。而且一次打印工作完成后，除了得到最終的模型外，其余部分均被激光切成碎片，無法像SLS那樣重復利用。

? 尺寸精度低。Z軸方向的精度相比SLA要低，一般在0.1mm左右。

? 打印環境要求苛刻。LOM技術需要專門的實驗室環境，且維護成本高。由于打印的材料為紙張等易燃品，因此當打印時溫度過高可能會引發火災，而且紙制模型很容易受潮，貯存環境又需要干燥。